雙光路全光纖電流互感器的研究

熊顯名，方浚丞，王 璐

（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林541004）

雙光路全光纖電流互感器的研究

熊顯名，方浚丞，王 璐

（桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林541004）

為了使光纖電流互感器具有快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出電流值的能力，本文在分析法拉第電磁感應(yīng)效應(yīng)的偏振調(diào)制型全光纖電流互感器的基礎(chǔ)上引入雙光路檢測(cè)法，將光纖中輸出的線偏振光分成振動(dòng)方向相互垂直、傳播方向成一定夾角的兩束光。經(jīng)光信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行放大、濾波處理后得到無噪正弦波信號(hào)，結(jié)合TMS320F28335測(cè)試平臺(tái)對(duì)輸出的兩路信號(hào)進(jìn)行同步采集、解調(diào)，通過運(yùn)算求出法拉第旋轉(zhuǎn)角，并擬合法拉第旋角與參考電流值得出兩者關(guān)系式，最終使測(cè)量系統(tǒng)能夠在高壓環(huán)境下快速、準(zhǔn)確地測(cè)量電流值。由此可見，本系統(tǒng)適用于高壓環(huán)境下對(duì)大電流進(jìn)行檢測(cè)。

全光纖電流互感器；法拉第電磁感應(yīng)效應(yīng)；雙光路；法拉第旋轉(zhuǎn)角

1 引 言

近年來電力工業(yè)發(fā)展迅猛，電力傳輸系統(tǒng)的電壓等級(jí)越來越高，傳統(tǒng)的電流互感器存在著諸多缺點(diǎn)已經(jīng)難以滿足測(cè)量要求，其中最突出的問題是絕緣問題，電壓的提高給電流互感器的絕緣技術(shù)帶來極大的挑戰(zhàn)；另外，傳統(tǒng)的電流互感器體積龐大、質(zhì)量重，給生產(chǎn)、運(yùn)輸和維護(hù)帶來諸多困難；此外，電磁式電流互感器的成本隨電壓等級(jí)的提高成指數(shù)增加［1］。與此同時(shí)，以光纖為介質(zhì)的新型傳感技術(shù)具有質(zhì)量輕、體積小、抗電磁輻射性能好等一系列其他介質(zhì)難以相比的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于高電壓、空間小及強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下使用［2］。光纖傳感器自從問世以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用于測(cè)量電壓、電流、振動(dòng)、位移、溫度、壓力等七十多個(gè)物理量，廣泛應(yīng)用于商業(yè)、民用、醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)控制等領(lǐng)域。作為一種新型的傳感技術(shù)，光纖傳感器將深入應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

2 基本原理

全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由激光光源、起偏器、檢偏器、渥拉斯頓棱鏡、光電轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成，系統(tǒng)中運(yùn)用了法拉第磁光效應(yīng)：一束線偏振光沿外加磁場(chǎng)方向或磁化強(qiáng)度矢量方向通過置于磁場(chǎng)中的磁光介質(zhì)時(shí)透射光的偏振方向相對(duì)于入射光的偏振方向轉(zhuǎn)過一定的角度，這個(gè)角度稱為法拉第旋轉(zhuǎn)角［3］。在一般材料中，法拉第旋角與材料的長(zhǎng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比［4］。如公式所示：

式中，ν為材料的費(fèi)爾德（Verdet）常數(shù)；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；L為線偏振光在磁場(chǎng)H作用下的傳輸距離；R為光纖線圈的半徑；N為光纖繞的總?cè)?shù)。由于費(fèi)爾德數(shù)ν在相同的測(cè)量環(huán)境下相等，而且光纖繞的圈數(shù)N也是確定的，因此法拉第旋角與電流值成線性關(guān)系。但是直接測(cè)量法拉第旋角并不容易，一般情況下法拉第旋角通過光強(qiáng)度的形式表現(xiàn)出來。由馬呂斯定律可知，光強(qiáng)信號(hào)與線偏振面旋轉(zhuǎn)角之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

式中，E0為起偏器入射光強(qiáng)；Φ為起偏器與檢偏器開始時(shí)的夾角。對(duì)式（2）求導(dǎo)，當(dāng)時(shí)，探測(cè)器為了獲得對(duì)θ變化有最大靈敏度。解得：2Φ-2θ=π/2，由于2θ非常小，所以可以認(rèn)為當(dāng)Φ=π/4時(shí)，即起偏器和檢偏器光軸成45°夾角時(shí)，偏振面檢測(cè)獲得最大靈敏度［4］。式（2）可化簡(jiǎn)為：

圖1 全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)圖

圖1中渥拉斯頓棱鏡將檢偏器輸出的光信號(hào)分成振動(dòng)方向相互垂直，傳播方向成一定夾角的兩束光。由于兩路信號(hào)相位相差90°，對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行差和運(yùn)算之后將所得的結(jié)果相除得式（4）：

通過這種方法能夠?qū)?、直流信?hào)進(jìn)行測(cè)量，而且輸出信噪比是直接經(jīng)過檢偏器輸出的兩倍。由式（4）可知雙光路檢測(cè)法能有效地提高了光路靈敏度，而且由于法拉第旋轉(zhuǎn)角很小，有sin2θ≈2θ，故此時(shí)線性度也較好，更能滿足測(cè)量電流的需要。

3 信號(hào)檢測(cè)電路

光纖電流互感器輸出的是兩路光強(qiáng)信號(hào)，直接對(duì)光強(qiáng)信號(hào)處理比較困難，通常是將光電檢測(cè)到的模擬電信號(hào)經(jīng)模擬預(yù)處理電路后送至A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)［5］。本文在光信號(hào)輸出端接入光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸出為微弱信號(hào)。檢測(cè)系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)部分主要有前置低噪聲放大、帶通濾波器、乘法器、A/D轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)組成［6］。在前置放大電路運(yùn)用低噪聲、高精度的運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大如圖2（a）所示。

圖2 前置放大電路與帶通濾波器

由于光纖電流互感器的測(cè)量對(duì)象是工頻交流電其頻率為50 Hz，因此為了在光電轉(zhuǎn)換器輸出端不引入額外噪聲，檢測(cè)電路中還應(yīng)包含50 Hz帶通濾波器以濾除干擾，如圖2（b）所示為本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)選用了美國(guó)BB（Burr-Brown）公司生產(chǎn)的集成濾波器UAF42，是一款通用的有源集成濾波器，可廣泛應(yīng)用于低通、高通、帶通、帶阻濾波器設(shè)計(jì)，其內(nèi)部包含兩個(gè)積分器、一個(gè)反相放大器和一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放，積分器包含兩個(gè)1000 pF精度高達(dá)0.5%的電容，這種結(jié)構(gòu)解決了設(shè)計(jì)有源濾波器時(shí)難以獲得高精度，低損耗的電容的問題。該濾波器屬于連續(xù)時(shí)間濾波器，可避免開關(guān)噪聲和一些開關(guān)電容濾波器一些其他問題的影響［7］。經(jīng)過50 Hz帶通濾波器之后，通過再低通濾波器隔離交流與電容隔離直流的作用把信號(hào)分成直流部分與交流部分，信號(hào)中的直流部分會(huì)隨測(cè)量環(huán)境的溫度變化而變化，而信號(hào)中的交流信號(hào)反應(yīng)出測(cè)量環(huán)境中磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，因此分別提取直流部分與交流部分能有效地檢測(cè)在不同溫度下的電流值。

經(jīng)過電路處理后的兩路交流信號(hào)以頻率為50 Hz的正弦波信號(hào)輸出，峰-峰值約為2 V。為了能同時(shí)采集兩路直流信號(hào)與兩路交流信號(hào)本文采用了TI公司生產(chǎn)的ADS8556，它是一款6路16位SAR ADC，采集信號(hào)的電壓范圍可選±5 V。而且每路還包含了取樣保持電路，6個(gè)模擬輸入組成3個(gè)通道組，這些通道組可以同時(shí)采集，而且在并行口模式下ADS8556數(shù)據(jù)采樣速率高達(dá)730 ksps，信噪比達(dá)到了91.5 dB，能滿足對(duì)信號(hào)采集的要求。在控制器上本文采用了TI公司推出的一款浮點(diǎn)型DSP控制器TMS320F28335。與以往的定點(diǎn)DSP相比，該器件的精度高成本低，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速，而且在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性，滿足系統(tǒng)運(yùn)算速率與精度的要求。 通過TMS320F28335與ADS8556搭建而成的同步采集系統(tǒng)能快速實(shí)時(shí)地反應(yīng)電流的大小，其連接示意圖如圖3（a）所示。

圖3 TMS320F28335與ADS8556

TMS320F28335控制器需要對(duì)檢測(cè)電路輸出的兩路信號(hào)同時(shí)運(yùn)算，通過控制ADS8556的時(shí)序能實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路信號(hào)的同時(shí)采集，保證運(yùn)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如圖3（b）所示為ADS8556控制時(shí)序圖。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量存儲(chǔ)到AD對(duì)應(yīng)的寄存器，通過TMS320F28335的16位數(shù)據(jù)總線依次讀取兩路信號(hào)的16位數(shù)據(jù)［8］。

4 數(shù)據(jù)處理

在圖1中，經(jīng)過渥拉斯頓棱鏡處理后將光路分成J1，J2兩路垂直的光。如圖4部分所示X軸上方為J1信號(hào)，J1實(shí)線部分為當(dāng)系統(tǒng)中沒有電流值時(shí)偏轉(zhuǎn)角，X軸下方為J2信號(hào)，J2實(shí)線部分為系統(tǒng)中沒有電流值時(shí)偏轉(zhuǎn)角。當(dāng)系統(tǒng)中檢測(cè)電流不為0時(shí)，電流以頻率為50 Hz的正弦波傳輸，J1，J2偏轉(zhuǎn)角也隨著電流以50 Hz頻率變化，當(dāng)電流值越大J1，J2偏轉(zhuǎn)的幅度越大，如圖4虛線部分所示。

圖4 J1，J2偏轉(zhuǎn)角

經(jīng)過ADS8556對(duì)J1，J2兩路交流信號(hào)采集之后的波形顯示如圖5所示，J1，J2均為50 Hz正弦波的信號(hào)，兩個(gè)波形相位相差90°。當(dāng)J1處于波峰時(shí)，偏轉(zhuǎn)角為J1-max，同時(shí)J2也偏轉(zhuǎn)角為J2-min，波形處于波谷。由式（4）可知，兩路光信號(hào)交流分量之和為2θ。通過反三角函數(shù)求出法拉第旋角，如式（5）所示：

式中，J1-min為J1通道波谷電壓值；J1-max為J1通道波峰電壓值；J2-min為J2通道波谷電壓值；J2-max為J2通道波峰電壓值。

圖5 J1，J2波形

通過ADS8556采集數(shù)據(jù)分別求出J1，J2波形一個(gè)周期內(nèi)的波峰與波谷，代入式（5）運(yùn)算出法拉第旋轉(zhuǎn)角θ。由式（1）可知θ與電流值有著線性關(guān)系。如圖6所示為通過實(shí)驗(yàn)求出的法拉第旋轉(zhuǎn)角θ與電流值之間的線性關(guān)系。

圖6 法拉第旋角與電流值關(guān)系

在不同的電流值下運(yùn)算出法拉第旋角，經(jīng)過多點(diǎn)擬合，得出法拉第旋角與參考電流值之間的關(guān)系式。再把運(yùn)算式植入TMS320F28335系統(tǒng)之后，系統(tǒng)便可以直接顯示出待測(cè)電流值的大小。如表1所示為測(cè)得電流值與實(shí)際流值之間的比較。由表1的數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確地測(cè)量出電流值，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

表1 測(cè)得電流值與參考電流值比較

5 總 結(jié)

本文在分析法拉第磁光效應(yīng)的基礎(chǔ)上研制了全光纖電流互感器，并設(shè)計(jì)了TMS320F28335同步采集系統(tǒng)，對(duì)光纖輸出的兩路光信號(hào)進(jìn)行同步采集。通過對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行一系列的運(yùn)算之后求出法拉第旋角，便能實(shí)時(shí)地反應(yīng)出電流值的大小。通過實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠在高壓環(huán)境下快速準(zhǔn)確地測(cè)量大電流。

［1］ Sum Dunyan.Optical fiber current sensor research［D］. Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2009.（in Chinese）

孫敦艷.光纖電流傳感器研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2009.

［2］ Zhao Yong.Principles and applications of fiber optic sensors technology［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2007.（in Chinese）

趙勇.光纖傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［3］ Li Hongzhe，Gu Guohua.The verdet constant testing of the magneto-opticalmaterial based on the finite element［J］. Laser&Infrared，2012，42（1）：55-58.（in Chinese）

李宏哲，顧國(guó)華.基于有限元的磁光材料費(fèi)爾德常數(shù)測(cè)試研究［J］.激光與紅外，2012，42（1）：55-58.

［4］ Zhang Hai.Polarization all-fiber current sensor system based on the Faraday effect practical［D］.Xiamen：Xiamen University a Master Degree Thesis，2007.（in Chinese）

張海.基于法拉第效應(yīng)的偏振型全光纖電流傳感系統(tǒng)的實(shí)用化研究［D］.廈門：廈門大學(xué)，2007.

［5］ Fu Mingfei，Geng Xiangming，Yuan Yan.DSP all-optical current transformer system［J］.Electrical Measurement& Instrumentation，2007，44（9）：44-48.（in Chinese）

傅鳴非，耿相銘，袁炎.基于DSP全光纖電流互感器系統(tǒng)研究［J］.電測(cè)與儀表，2007，44（9）：44-48.

［6］ Shi Yang，Liu Huijun，LüJin.Dual-channel infrared spectra of weak signal detection system design［J］.Laser& Infrared，2007，37（11）：1192-1194.（in Chinese）

施秧，劉輝軍，呂進(jìn).雙通道紅外光譜微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.激光與紅外，2007，37（11）：1192-1194.

［7］ TI company.UAF42 Data Sheet［E］.10/2010.

［8］ Liu Lingshun，Gao Yanli，Zhang Shutuan.The TMS320F28335 DSP principles of and development programming［M］.Beijing：Beihang University Press，2011.（in Chinese）

劉陵順，高艷麗，張樹團(tuán).TMS320F28335 DSP原理及開發(fā)編程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

Research on dual oPtical Path all-fiber current transformer

XIONG Xian-ming，F(xiàn)ANG Jun-cheng，WANG Lu
（Guilin University of Electronic Science and Technology of Electronic Engineering and Automation，Guilin 541004，China）

In order tomake fiber current transformer to have the ability tomeasure the current quickly and accurately，we analyzed the polarization-modulated all-fiber current transformer based on Faraday electromagnetic induction effect.And a dual optical path detectionmethod is introduced.Polarized light from the optical fiber is divided into two beams.One is perpendicular to the direction of vibration，the other is ata certain angle towards the spread direction of the wave.After converting optic signal into electric signal，the sine wave signal obtained via amplification and filtering process is noiseless.Combining with TMS320F28335 test platform two output signals are synchronously acquired and demodulated，then the Faraday rotation angle is determined by calculation.And the relationship between fitting Faraday rotary and the reference current value is obtained.Finally the measurement system can measure current value in the high-pressure environmentquickly and accurately.It proves that the system is applicable to large current detection in the high-pressure environment.

all-fiber current transformer；the Faraday effect of electromagnetic induction；dual optical path；Faraday rotation angle

TN249

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2013.05.014

1001-5078（2013）05-0536-04

熊顯名（1964-），男，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣怆姕y(cè)試，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試及光學(xué)遙感測(cè)試。E-mail：380338015@qq.com

2012-09-27；

2012-10-16